超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用

摘要：超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，可用于机器人、阀门、微动工具、精密加工、微机电系统和声纳系统等领域。本文介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状，并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。

　　关键词：超磁致伸缩；执行器；流体控制元件

　　

　　引言

　　

　　液压伺服系统的性能主要取决于组成该系统的阀、泵各液压马达等流体控制元件的性能。因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。传统的流体控制元件主要采用电动机、电磁铁作为驱动元件。近年来，随着一些新型材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。超磁致伸缩材料就是一种新型的电（磁）一机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大、能量密度高、响应速度快等特性，国外已将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中，并取得了一些进展。本文就这方面情况做些介绍。

　　

　　1超磁致伸缩执行器

　　

　　（1）超磁致伸缩材料

　　

　　超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩材料（Fe、Co、Ni等），超磁致伸缩材料，是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y。式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般为0.27～0.35，y为0.1～0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为Terfenol-D（美国的Edge Technologies公司）或Magmek86（瑞典Feredyn AB公司）代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。

　　

　　与压电材料（PZT）及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大（1500～2000ppm），是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电耦合系数大；响应速度快（达到μs级）；输出力大，可达到220～880N。

　　

　　由于超磁致伸缩材料的上述优良性能，因而在许多领域尤其是在执行器中的应用前景良好。

　　

　　（2）超磁致伸缩执行器

　　

　　超磁致伸缩执行器的结构简单、位移大、输出力强、易实现微型化、并可采用非接触式驱动。按结构超磁致伸缩执行器可分为以下三种类型：

　　

　　①直接驱动型

　　

　　这种超磁致伸缩执行器主要采用棒状超磁致伸缩合金直接驱动执行器件，不采用放大机构，其一般结结构如图1所示。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定压力下工作。图中上下两块永久磁铁用来提供一定的偏磁场，使超磁致伸缩棒在合适的线性范围内工作。这种超磁致伸缩执行器的结构相对简单、位移大、输出力强，主要被应用于水声换能器、新型马达、微位移控制器和流体阀中。